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Lexikon der Biochemie: Ammoniakassimilation

Ammoniakassimilation, Verwendung von Ammoniak zum Aufbau von stickstoffhaltigen Gruppen der Stickstoffbestandteile der Zelle, z.B. Aminosäuren, Amide, Carbamyl- und Guanidinoverbindungen. Von zentraler Bedeutung ist die Inkorporation des Ammoniaks in die Amidgruppe des Glutamins, katalysiert durch die Glutamin-Synthetase (EC 6.3.1.2): L-Glutamat + NH3 + ATP → L-Glutamin + ADP + Pi. Der Amidstickstoff von L-Glutamin wird dann in verschiedenen Synthesen verwendet.:
1) L-Glutamin + α-Ketoglutarat + 2H+ + 2e- → 2L-Glutamat (Glutamat-Synthase). Das Glutamat ist an der Synthese anderer Aminosäuren durch Transaminierung beteiligt. So resultiert aus einer Reihe gekoppelter Reaktionen eine Nettoassimilation von Ammoniak in die Aminogruppe von Aminosäuren (Abb.).
Die Reduktionskraft für die bakterielle Glutamat-Synthase (EC 1.4.1.13) wird durch NADPH zur Verfügung gestellt, während die Chloroplasten-Glutamat-Synthase (EC 1.4.7.1) reduziertes Ferredoxin verwendet. Die Glutamin-Synthetase und die Glutamat-Synthase kommen in den Pflanzenchloroplasten vor, während die Versorgung mit ATP und reduziertem Ferredoxin direkt durch die Lichtreaktion der Photosynthese erfolgt. Tiere haben keine Glutamat-Synthase und können keine Nettosynthese von Aminogruppen aus Ammoniak durchführen.
2) L-Glutamin + HCO

+ 2ATP + H2O → Carbamylphosphat + L-Glutamat + 2ADP + Pi (Carbamylphosphat-Synthetase, EC 6.3.5.5) (Carbamylphosphat). N-Acetylglutamat ist ein essenzieller positiver allosterischer Effektor der Carbamylphosphat-Synthetase. Bei Eukaryonten ist das Enzym im Cytoplasma lokalisiert. Das Carbamylphosphat liefert das C2 und das N3 für die Pyrimidinbiosynthese und trägt zur Synthese der Guanidinogruppe von Arginin in Pflanzen und Bakterien bei.
3) Die Amidgruppe von Glutamin wird in der Purinbiosynthese verwendet, wobei sie N3 und N9 des Purinrings liefert und die 2-NH2-Gruppe des Guanins.
4) In mehreren Synthesen stammt der Stickstoff direkt aus der Amidgruppe des Glutamins, z.B. in der Histidinsynthese, bei der Umwandlung von Chorismat in Anthranilat, bei der Synthese von Aminozuckern sowie bei der Aminierung von UTP zu CTP.
5) In einigen Organismen wird die Amidgruppe des Glutamins mit Hilfe der Asparagin-Synthetase (EC 6.3.5.4) auf Aspartat übertragen (Glutaminhydrolyse): L-Glutamin + L-Aspartat + ATP → L-Glutamat + L-Asparagin + AMP + PPi.
In den Mitochondrien der Säugetierleber wird Ammoniak direkt in Carbamylphosphat überführt: NH3 + HCO

+ 2ATP → Carbamylphosphat + 2ADP + Pi. Die Reaktion wird durch Carbamylphosphat-Synthetase (EC 6.3.4.16) katalysiert. N-Acetylglutamat ist dabei ein essenzieller positiver allosterischer Effektor. Durch diese Reaktion wird der Ammoniak in den Harnstoff-Zyklus eingeschleust und in Abhängigkeit von der Fähigkeit eines Tieres, Ornithin zu synthetisieren, kommt es eventuell zur Nettosynthese von Arginin. Ein großer Teil dieses Ammoniakstickstoffs kann deshalb in Form von Harnstoff ausgeschieden werden, ohne zur Nettosynthese der Guanidinogruppe beizutragen.
In Pflanzen, Schimmelpilzen und Bakterien ist die A. in die Aminogruppe von Glutamat auch mit Hilfe der NADPH-abhängigen Glutamat-Dehydrogenase (EC 1.4.1.3) möglich. Das Enzym arbeitet am effektivsten, wenn Ammoniumsalze in relativ hoher Konzentration direkt in der Umgebung zur Verfügung stehen. In vielen Organismen ist seine Aktivität geringer als die der Glutamin-Synthetase, welche auch den niedrigeren Km-Wert für Ammoniak besitzt. Das Glutamin-Synthetase-Glutamat-Synthase-System ist das effektivere und wichtigere, insbesondere wenn der Ammoniak aus der Nitratreduktion oder der Stickstoffixierung stammt.
In einigen Mikroorganismen kann die A. auch bei der Alaninsynthese, katalysiert durch die Alanin-Dehydrogenase (EC 1.4.1.1), vorkommen.
Asparagin wird im Allgemeinen mit Hilfe der Asparagin-Synthetase (EC 6.3.1.4) synthetisiert (ADP-Bildung): L-Aspartat + NH3 + ATP → L-Asparagin + ADP + Pi. Asparagin spielt wie die homologe Verbindung Glutamin eine bedeutende Rolle bei der Speicherung und dem Transport des Aminostickstoffs. Beides sind proteinogene Aminosäuren. In metabolischer Hinsicht ist Asparagin weniger vielseitig als Glutamin und sein Amidstickstoff wird in Biosynthesen vermutlich nicht direkt übertragen.



Ammoniakassimilation. Ammoniakassimilation in die Aminogruppe der Aminosäuren. a: Nitratreduktase. b: Nitritreduktase. c: Nitrogenase.

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